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濕度敏感的比色傳感器比傳統的光學傳感器快 10,000 倍。

原產于中美洲和南美洲熱帶雨林的大力神甲蟲會在其環境中的相對濕度水平發生變化時改變其外殼顏色。甲蟲的外殼在低濕度下呈橄欖綠色或黃色，在較高濕度下呈近黑色——這是光折射變化的結果。 

從大力神甲蟲的外殼中汲取靈感，浦項科技大學 (POSTECH) 的一組研究人員制造了一種實時“超快”濕度傳感光學傳感器。

典型的光學濕度傳感器如何工作。圖片由MDPI提供

光學中的關鍵儀器：法布里-珀羅干涉儀 

為了開發這種傳感器，研究人員研究了一種常見的光學儀器，即 法布里-珀羅干涉儀（或“標準具”）。標準具具有兩個平行的部分鍍銀表面。在這兩個表面之間的空腔中，光波可以來回反射——只有當它們與之共振時。由于腔內有多個光束干涉，干涉儀可以提供極高的分辨率。

法布里-珀羅干涉儀示意圖。圖片來自 Stigmatella aurantiaca [ CC BY-SA 3.0 ]

相比之下，POSTECH 研究人員使用的傳感器包括金屬納米顆粒之間的間隙，從而產生了許多膜狀孔隙。這些孔隙使原型的速度比傳統的基于法布里-珀羅干涉儀的光學傳感器快 10,000 倍。

該傳感器與許多其他用于測量相對濕度的比色指示器一樣工作：隨著相對濕度水平的變化，比色指示器呈現出肉眼可觀察到的不同顏色——紅色、綠色、藍色。

研究人員使用高度水敏感的標準具

研究人員的新型比色傳感器基于可調諧的法布里-珀羅式諧振器。該諧振器包括無序金屬納米粒子的頂層和金屬鏡的底層。在這兩層之間是氣體響應介質。

當類法布里-珀羅諧振器與外部濕氣接觸時，它會從內部水凝膠薄膜中產生諧振頻率。共振頻率取決于水凝膠膜的厚度和折射率。

隨著濕度的變化，殼聚糖水凝膠會膨脹和收縮。 圖片由Science Advances提供

POSTECH 研究人員聲稱，這種殼聚糖（一種可生物降解的聚合物）水凝膠薄膜可以像超級海綿一樣快速膨脹和收縮：它可以吸收其周圍近 1,000 重量百分比的干重的水分。這種高吸水性質量來自水分子和殼聚糖聚合物之間的氫鍵。 

金屬納米粒子水凝膠-鏡面標準具在潮濕和干燥狀態下的特寫視圖。圖片由POSTECH提供

用于安全的濕度敏感光學傳感器

借助這種對濕度敏感的光學傳感器，研究人員設想了許多安全應用——從 3D QR 碼到防偽用例。首席研究員 Rho 教授指出，使用這種水響應彩色像素的安全代碼可以集成到電子設備、身份證、護照和對濕度敏感的鈔票的安全標簽中。 

該團隊認為，光學傳感器甚至可以用于氣體和水蒸氣檢測；憑借原型的快速比色傳感能力，它可用于傳感氫和氧等單原子氣體、揮發性有機化合物以及硫化氫和氮氧化物等有毒氣體。

這項研究由三星研究基金及其未來技術孵化中心資助。